미세유체장치를 이용한 생분해성 Polycarprolactone의단분산성 미세입자 생성제어

정헌호 한국청정기술학회 2019 청정기술 Vol.25 No.4

Monodisperse microparticles has been particularly enabling for various applications in the encapsulation anddelivery of pharmaceutical agents. The microfluidic devices are attractive candidates to produce highly uniform droplets thatserve as templates to form monodisperse microparticles. The microfluidic devices that have micro-scale channel allow precisecontrol of the balance between surface tension and viscous forces in two-phase flows. One of its essential abilities is togenerate highly monodisperse droplets. In this paper, a microfluidic approach for preparing monodisperse polycaprolactone(PCL) microparticles is presented. The microfluidic devices that have a flow-focusing generator are manufactured bysoft-lithography using polydimethylsiloxane (PDMS). The crucial factors in the droplet generation are the controllability ofsize and monodispersity of the microdroplets. For this, the volumetric flow rates of the dispersed phase of oil solution and thecontinuous phase of water to generate monodisperse droplets are optimized. As a result, the optimal flow condition for dropletdripping region that is able to generate uniform droplet is found. Furthermore, the droplets containing PCL polymer bysolvent evaporation after collection of droplet from device is solidified to generate the microparticle. The particle size can becontrolled by tuning the flow rate and the size of the microchannel. The monodispersity of the PCL particles is measured by a coefficient of variation (CV) below 5%. 단분산성 마이크로입자는 약물캡슐화 및 전달을 위한 다양한 응용분야에서 사용되고 있다. 미세유체장치는 매우 균일한 액적을 생산할 수 있는 중요한 장치이며 이 액적은 단분산성 마이크로입자를 생성할 수 있는 중요한 템플레이트(template)로의 역할을 한다. 미세유체장치는 마이크론 크기의 채널로 구성되어 표면장력과 점성력 간의 균형을 정교하게 조절할 수 있으며, 이는 단분산성 액적을 형성하는 필수적인 기술 중의 하나이다. 본 연구는 유동집적채널 기반의 미세유체장치에서 매우 균일한 polycaprolactone (PCL) 생분해성 고분자 입자를 제조하는 방법을 제안한다. 유동집적채널 기반의 미세유체장치는 polydimethylsiloxane (PDMS) 기반의 소프트리소그래피(soft-lithography) 방법을 통해 제작된다. 액적 생성에서 중요한요소는 마이크로 액적의 크기와 단분산성을 조절하는 것이다. 이를 위해, 본 연구에서는 이 미세유체장치에서 오일용액 분산상과 수용액 연속상의 부피유속을 제어하여 단분산성 액적 형성 조건을 최적화하였다. 그 결과 균일한 액적을 형성할 수있는 dripping 영역에 대한 최척화된 유속조건을 확인하였다. 그런 다음, 마이크로입자를 생성하기 위해 PCL 고분자를 포함한 액적을 장치에서 형성한 후 용매의 증발에 의해 입자화 하였다. 입자의 크기는 부피유속과 미세유체채널의 크기에 의해조절되며 입자의 단분산도는 변동계수(coefficient of variation, CV)값이 5% 이하로 제어될 수 있다.

미세유체 장치에서 부분젤화법을 이용한 단분산성 펙틴 하이드로젤 미세섬유의 제조

진시형(Si Hyung Jin),김채연(Chaeyeon Kim),이병진(Byungjin Lee),심규락(Kyu-Rak Shim),김동영(Dong Young Kim),이창수(Chang-Soo Lee) 한국청정기술학회 2017 청정기술 Vol.23 No.3

본 연구는 미세유체 장치에서 매우 균일한 펙틴 하이드로젤 미세섬유를 부분젤화법을 통해 손쉽게 제조하는 방법을 소개한다. 펙틴 수용액과 이와 섞이지 않는 칼슘이 분산된 오일용액 사이의 수력학적 변수들을 조절하여 펙틴 수용액의 흐름을 안정적으로 늘어진 유동을 형성하고 두 상의 계면에서 칼슘 이온의 킬레이트화 반응으로 펙틴 수용액을 부분젤화 시킨다. 부분젤화된 펙틴 수용액은 미세유체 장치 외부의 염화칼슘 수용액에서 오일 용액과 상분리 되고 완전히 젤화되어 미세섬유로 제조된다. 펙틴 하이드로젤 미세섬유의 굵기는 초기 주입되는 펙틴 수용액의 부피유속을 조절함으로써 재현성 있게 제어된다. 제조된 펙틴 하이드로젤 미세섬유의 직경은 200에서 500 마이크로미터 범위이며 모든 두께 조건에서 5% 이하의 변동계수를 가짐으로써 매우 균일함을 증명하였다. 또한 펙틴 하이드로젤 미세섬유에 생체물질을 단일공정으로 고정화 함으로써 생체물질 담지체나 조직공학의 지지체로써 사용될 수 있는 가능성을 보여준다. This study introduces a method to easily fabricate highly monodisperse pectin hydrogel microfibers in a microfluidic device by using partial gelation. The hydrodynamic parameters between the pectin aqueous solution and the calcium ions containing oil solution are precisely controlled to form a stable elongation flow of the pectin aqueous solution, and partial gelation of the pectin aqueous solution is performed by the chelating of the calcium ions at the interface between the two phases. The partially gelled pectin aqueous solution is phase-separated from the oil solution in an aqueous calcium chloride solution outside the microfluidic device and is completely gelled to produce monodisperse pectin hydrogel microfibers. The thickness of the pectin hydrogel microfiber is controlled in a reproducible manner by controlling the volumetric flow rate of the initially injected pectin aqueous solution. The pectin hydrogel microfibers were 200 to 500 micrometers in diameter and had a coefficient of variation below 5% under all thickness conditions, indicating that the pectin hydrogel microfibers produced by partial gelation are highly monodisperse. In addition, biomaterials can be immobilized to the pectin hydrogel microfibers produced by a single process, demonstrating the possibility that our pectin hydrogel microfiber can be used as carriers for biomaterials or tissue engineering.

부피가 다른 두 유체의 효과적인 유동제어를 위한 미세채널

라문우(Moonwoo La),호재윤(Jae-Yun Ho),김동성(Dong Sung Kim) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.1

본 연구에서는 부피가 다른 두 유체의 효과적인 유동제어를 위하여 Stokes 유동 방정식을 기반으로 설계된 미세채널을 제안한다. 부피가 다른 두 유체가 압력 구동에 의하여 주입구를 통과하는 과정에서, 두 유동이 동시에 만나 주어진 부피비를 유지하며 흘러나간 후에 일시에 끝날 수 있도록 주입구의 폭과 길이를 조절하였다. 디자인된 미세채널은 비압축성, 뉴턴 유체의 과도상태 유동에 대한 전산유체역학 모사를 수행하였다. 또한, 소프트리소그래피를 통해 미세유체칩을 제작하고, 압력 구동에 의한 부피가 다른 두 유체의 유동 특성을 평가하였다. In this paper, microchannels for the flow control of two fluids with different volumes have been designed, fabricated, and verified. The dimensions of the inlets were determined based on the Stokes equation in order to realize that the flow of the two fluids meet at the same time, and to maintain a certain configuration when the flows passed through each inlet channel. The designed microchannels were confirmed using computational fluid dynamics simulation for the incompressible, Newtonian, and transient flows. In addition, a microfluidic system containing the designed microchannels was fabricated by soft lithography, and the pressure-driven flows of the two fluids were characterized by microfluidic experiments.

미세유체 장치에서 부분젤화법을 이용한 단분산성 펙틴 하이드로젤 미세섬유의 제조

진시형,김채연,이병진,심규락,김동영,이창수 한국청정기술학회 2017 청정기술 Vol.24 No.3

This study introduces a method to easily fabricate highly monodisperse pectin hydrogel microfibers in a microfluidic device by using partial gelation. The hydrodynamic parameters between the pectin aqueous solution and the calcium ions containing oil solution are precisely controlled to form a stable elongation flow of the pectin aqueous solution, and partial gelation of the pectin aqueous solution is performed by the chelating of the calcium ions at the interface between the two phases. The partially gelled pectin aqueous solution is phase-separated from the oil solution in an aqueous calcium chloride solution outside the microfluidic device and is completely gelled to produce monodisperse pectin hydrogel microfibers. The thickness of the pectin hydrogel microfiber is controlled in a reproducible manner by controlling the volumetric flow rate of the initially injected pectin aqueous solution. The pectin hydrogel microfibers were 200 to 500 micrometers in diameter and had a coefficient of variation below 5% under all thickness conditions, indicating that the pectin hydrogel microfibers produced by partial gelation are highly monodisperse. In addition, biomaterials can be immobilized to the pectin hydrogel microfibers produced by a single process, demonstrating the possibility that our pectin hydrogel microfiber can be used as carriers for biomaterials or tissue engineering. 본 연구는 미세유체 장치에서 매우 균일한 펙틴 하이드로젤 미세섬유를 부분젤화법을 통해 손쉽게 제조하는 방법을 소개한다. 펙틴 수용액과 이와 섞이지 않는 칼슘이 분산된 오일용액 사이의 수력학적 변수들을 조절하여 펙틴 수용액의 흐름을 안정적으로 늘어진 유동을 형성하고 두 상의 계면에서 칼슘 이온의 킬레이트화 반응으로 펙틴 수용액을 부분젤화 시킨다. 부분젤화된 펙틴 수용액은 미세유체 장치 외부의 염화칼슘 수용액에서 오일 용액과 상분리 되고 완전히 젤화되어 미세섬유로제조된다. 펙틴 하이드로젤 미세섬유의 굵기는 초기 주입되는 펙틴 수용액의 부피유속을 조절함으로써 재현성 있게 제어된다. 제조된 펙틴 하이드로젤 미세섬유의 직경은 200에서 500 마이크로미터 범위이며 모든 두께 조건에서 5% 이하의 변동계수를 가짐으로써 매우 균일함을 증명하였다. 또한 펙틴 하이드로젤 미세섬유에 생체물질을 단일공정으로 고정화 함으로써생체물질 담지체나 조직공학의 지지체로써 사용될 수 있는 가능성을 보여준다.

종이기반 미세유체 채널의 설계 및 제작기술

이정현 ( Jung Hyun Lee ),황유선 ( Yoo Sun Hwang ),정효일 ( Hyo Il Jung ) 한국감성과학회 2011 감성과학 Vol.14 No.4

감성은 외부의 물리/화학적인 자극에 대한 인간 내부의 고차원적인 심리적 체험으로 기쁨, 슬픔, 쾌적, 불쾌등에 대한 복합적인 감정이라 할 수 있다. 감성연구의 가장 큰 어려움은 측정의 문제이다. 기존 감성측정은 자기보고, 인터뷰, 뇌파 및 자율 신경계 반응, 심장혈관 활동도 등에 국한되어 있다. 최근 나노마이크로 기술의 발달과 함께 미래에는 체액 내 감성 바이오마커를 찾아내고 그것의 유무와 뇌 과학 연구결과와의 상관관계를 규명하고 피 한 방울로 인간의 심리상태를 정확히 파악할 수 있는 초소형 감성진단칩(emotion-on-a-chip)을 개발하게 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 종이를 이용한 종이 미세유체(paper microfluidic) 기술이 발달하고 이를 이용한 질병진단을 할 수 있음이 보고된 바 있다. 종이기반 미세유체채널은 그 제작비용이 저렴하며, 누구나 손쉽게 사용할 수 있어서 미래에 감성진단을 위한 도구로 활용할 수 있다. 본지에서는 아직까지 감성측정분야에 도입되지 않은 종이 미세유체 기술을 소개하고 향후 다양한 감성지표를 측정할 수 있는 아주 간단한 구조의 종이 기반 미세유체 디바이스의 설계 및 제작에 대해 기술한다. Emotion is composed of various feelings such as pleasure, sorrow, comfortability, and so on. The complicated process of the measurement has long been recognized as a major hindrance for the studies of emotion. Previously, individuals` emotion has mainly been measured by means of self-report, interview, EEG (electroencephalogram), ECG (electrocardiogram), EOG (electroculography), and body temperature. With thanks to nano/micro technologies, the possibility in the development of emotion-on-a-chip (EOC) has begun to be proposed. EOC will make it possible to analyze one`s psychological status by taking a drop of blood. Discovery of emotional biomarkers in body fluids, understanding of the correlation between those biomarkers and the results from brain science are prerequisites to validate the EOC technology. In this paper, paper microfluidics are introduced as a good candidate for the EOC. As paper microfluidics is cost-effective and easy to use it is expected to be a useful device for the emotion measurement. We present the design and fabrication process for the simple paper-based microfluidic device and discuss the possible application in the field of measuring the human emotion.

지반복원을 위한 바이오폴리머 한천의 물리적 특성 연구

장정연(Jang Jung yeon),이정민(Lee Jung min),정종원(Jung Jong won) 한국방재학회 2017 한국방재학회논문집 Vol.17 No.6

지구온난화가 가속되고 있는 현 시점에서 온실가스의 주범인 시멘트를 대체할 물질을 찾고 있다. 하지만, 대표적인 시멘트 대체제들조차 환경에 유해한 요소를 가지고 있기 때문에, 이러한 단점을 보완할 수 있는 물질로 바이오폴리머가 새롭게 부각되고 있다. 바이오폴리머는 지반의 공극을 메우는 충진제로 이용 가능하며, 지반복원 및 석유회수증진에 기여할 잠재성이 높은 것으로 파악된다. 대표적인 바이오폴리머 중 하나인 한천(Agar)의 접촉각, 표면장력과 점성을 측정하였다. 한천 용액의 접촉각은 농도가 증가할수록 커졌으나, 석유의 주성분인 데케인 내에서의 농도에 따른 접촉각의 경향은 발견되지 않았다. 0.2% 한천 용액의 표면장력은 탈염수보다 작고, 0.2% 한천 용액의 점성은 전단속도와 온도가 증가할수록 감소하였다. 지반복원에 적합한 바이오폴리머의 특성을 이해하기 위해, 미세유체장치를 활용하여 한천 용액의 2차원 흐름특성을 연구하였다. 미세유체소자가 공기로 채워져 있을 때는 한천 용액의 농도와 주입속도를 증가시킴에 따라 공극포화도가 증가하는 경향을 보였다. 그러나, 석유의 주성분인 데케인으로 채워졌을 때는 뚜렷한 경향성을 파악하지 못하였다. 본 연구의 결과인 한천 용액의 기본적인 특성 및 미세유체장치를 활용한 2차원 흐름은 실제 토양복원 공법을 결정하는데 크게 기여할 것으로 기대한다. As global warming is accelerating, we seek a substitution of cement, the main culprit of greenhouse gases. However, representative cement substitutes have harmful to the environment. Biopolymer is emerging as a novel material to overcome these drawbacks. Biopolymer can be used as a filler filling the voids in the ground, and have highly potential to contribute for soil remediation and enhanced oil recovery. The contact angle, surface tension and viscosity of Agar, one of the representative biopolymers, were measured. The contact angles of the Agar solution clearly increase as the concentration increase, but the contact angles in decane does not show any trend with the change of Agar concentration. The surface tension of 0.2% Agar solution is smaller than deionized water. The viscosity of 0.2% Agar solution decreases with the increment of shear rate and temperature. To understand a suitable biopolymer for soil remediation, 2D flow characteristics of Agar solution using microfluidic devices were scrutinized. When microfluidic pores are filled with air, pore saturation tends to increase as agar concentration and injection rate increase. However, when the pores are filled with petroleum decane, their results on pore saturation have no clear tendency. Results that basic properties and 2D flow characteristics of Agar solution can expect to decide a proper method for soil remediation.

3 차원 유체역학 집속에 대한 채널 형상 및 유동 조건의 매개변수 연구

한경섭(Kyungsup Han),김동성(Dong Sung Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.1

최근 본 연구그룹은 국소적인 종횡비 증가를 기반으로 수평 분리벽 없이 검체의 3 차원 집속을 구현하는 3 차원 유체역학 집속 미세유체 장치(3D-HFMD)를 제안한 바 있다. 본 논문에서는, 다양한 형상 및 유동 조건에 따른 3D-HFMD 의 3 차원 유체역학 집속 거동 영향에 대한 연구를 수행하였다. 이에 3 차원 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해, 형상 및 유동 조건 변화에 대한 기존의 미세유체 장치와 본 연구 그룹이 제안한 3DHFMD의 3 차원 유체역학 집속의 매개변수 연구를 수행하였다. 수행된 CFD 시뮬레이션 결과를 바탕으로 3 차원 집속을 위한 채널 형상 디자인 및 유동 조건을 제안하였다. In our previous work, 3-dimensional hydrodynamic focusing microfluidic device (3D-HFMD) has been developed with the help of locally increased aspect ratio of thickness to width without any horizontal separation wall. In this study, we have investigated 3-dimensional hydrodynamic focusing behaviors inside the 3D-HFMD according to the various geometric and flow conditions. The parametric study has been extensively carried out for the effects of geometric and flow conditions on 3-dimensional hydrodynamic focusing with both 3D-HFMD and previous microfluidic device design based on three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulations. The CFD simulations suggested the proper design window of channel geometry and flow conditions.

종이-미세유체공학을 이용한 건성안 검사 용지 개발

서영태,노혜란 한국안광학회 2013 한국안광학회지 Vol.18 No.2

Purpose: The aim of this study was to develop a dry eye test method using a paper based microfluidic device that improves inaccuracy caused by using one of current point-of-care dry eye tests such as Shirmer's. Methods:Wax printed hydrophilic chromatography papers were dyed with anthocyanin extracts to detect colorimetric display of liquid samples with varying pH. Fluid distribution rates were measured using artificial tears and human tears directly from 32 subjects. Results: With Shirmer's, fluid distribution rates with small amount of samples (less than 0.5 μl) were not displayed. However, with paper based microfluidic device, fluid imbibition distances over time were clearly showed. Also clinical results of dry eye from newly developed paper based microfluidic device showed correlation with the results from tear break up time tests. Conclusions: The newly developed paper based microfluidic devices were easy to use and exhibited more accurate clinical results than current dry eye point of care tests such as Shirmer's. 목적: 본 연구는 현장현시 건성안 진단 테스트 중에 현재 사용되고 있으나 부정확한 결과로 신뢰도가 떨어지는 쉬르머 용지를 대체 할 수 있는 차세대 건성안 진단 테스트 용지를 미세유체공학을 이용하여 개발하고자 하였다. 방법: 왁스로 패턴을 제조한 친수성 크로마토그래피 용지를 pH에 따른 색 변화가 나타나도록 안토시안으로 염색을하였다. 인공 누액의 젖음 속도를 인공 누액과 32명의 참가자의 눈물을 이용하여 임상 측정하였다. 결과: 인공 누액을 이용하였을 경우 쉬르머 용지에서는 소량의 용액은(0.5 ml이하) 흡수거리가 도출되지 않았으나 새로 개발된 용지는 시간에 따른 인공 누액의 흡수거리가 확연히 나타났다. 임상실험에서도 새로 개발된 검사 용지는 TBUT (tear break-up time)결과와 부합하는 건성안 진단 결과를 보였다. 결론: 개발된 건성안 진단 용지는 간편하게 사용될 수있을 뿐만 아니라 기존 쉬르머 용지와 같은 현장현시 건성안 진단 매체와 비교 했을 경우 건성안 판별의 정확성이높았다.

모세관 힘으로 구동되는 단백질칩용 폴리머 미세유체제어소자

고종수,윤현철 대한기계학회 2003 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2003 No.12

This paper describes the design, fabrication, and test of a PDMS and PMMA -laminated microfluidic device for an immunosensing biochip. A PDMS top substrate molded by polymer casting and a PMMA bottom substrate fabricated by hot embossing are bonded with pressing force and hermetically sealed. Two inlet ports and an air vent are opened through the PDMS substrate, while Au electrodes for electrochemical detection are patterned onto the PMMA substrate. The analyte sample is loaded from the sample inlet port to the detection chamber by capillary force, without any intervening forces. For this and to control the time duration of sample fluid in each compartment of the device, including the inlet port, reaction barrier, reaction chamber, flow-delay neck, and the detection chamber, the fluid conduit has been designed using varying geometry. Especially, the fluid path has been designed so that the sample flow stops after filling the detection chamber to allow sufficient time for biochemical reaction and subsequent washing steps. The washing solution is supplied through the buffer solution inlet port by an external syringe pump. As a model system for a configurable microfluidic device, the functionalization of ferritin (antigen) to the sensing monolayer and their biospecific interaction with anti-ferritin antiserum has been investigated. An electrochemical detection method for immunosensing by biocatalyzed has been developed and applied for signal registration.

관성 마이크로 펌프를 이용한 미세유체 PCR 시스템

나원휘(Wonhwi Na),유병민(Byeongmin Yoo),김영준(Youngjun Kim),신세현(Sehyun Shin) 대한기계학회 2018 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2018 No.12